一起換流站直流濾波器干式電抗器過(guò)電壓損壞分析

雷 瀟， 廖文龍， 白 歡， 任阿陽(yáng)， 曹 文， 黃 宇

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 成都 610094; 2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，成都 644000)

0 引言

直流濾波器是換流站直流場(chǎng)重要設(shè)備，其設(shè)備狀態(tài)對(duì)整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要影響。隨著直流輸電工程投運(yùn)年限和數(shù)量的增加，濾波器場(chǎng)設(shè)備問(wèn)題逐漸暴露[1-2]。±800 kV宜賓換流站極II直流濾波器場(chǎng)在2020年多次發(fā)生異響現(xiàn)象，經(jīng)視頻監(jiān)控初步判斷為干式電抗器放電，停電檢修發(fā)現(xiàn)匝間絕緣損壞。

戶外干式空心電抗器在交流系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，各地報(bào)道的故障實(shí)例較多[3-6]，其中繞組匝間絕緣擊穿占總故障一半以上[7-9]。干式電抗器絕緣損壞與材料自身缺陷和運(yùn)行工況密切相關(guān)，熱老化和投切過(guò)電壓是絕緣劣化的主要原因[10-14]。但對(duì)于換流站直流濾波器場(chǎng)的干式電抗器，其運(yùn)行工況與交流系統(tǒng)中的并聯(lián)電抗器和串聯(lián)電抗器有明顯差別，故障機(jī)理尚待研究。

本研究介紹了±800 kV宜賓換流站極II直流濾波器場(chǎng)干式電抗器故障概況，通過(guò)停電檢查、故障錄波、雷電定位系統(tǒng)、分布式行波測(cè)距裝置等手段對(duì)故障原因進(jìn)行綜合分析。

1 故障概述

2020年1月至4月期間，±800 kV宜賓換流站極II直流濾波器區(qū)域共發(fā)生四次異響，利用站上視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)極II直流濾波器區(qū)域的濾波電抗器(P2-Z1-L1)和與其并聯(lián)的避雷器區(qū)域出現(xiàn)明顯放電現(xiàn)象(P2-Z1-F1)?！?00 kV特高壓直流工程直流濾波器一般在每極直流母線和中性線之間裝設(shè)1組或2組并聯(lián)雙調(diào)諧濾波器[15]，宜賓換流站的直流濾波器場(chǎng)的電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。同時(shí)OWS后臺(tái)顯示直流故障測(cè)距啟動(dòng)，外置故障錄波裝置啟動(dòng)報(bào)文(直流控保系統(tǒng)未有相關(guān)報(bào)文)。濾波器區(qū)域發(fā)生異響發(fā)生時(shí)均是在雙極降壓時(shí)，如表1所示。2020年年檢期間對(duì)極II直流濾波器場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，對(duì)放電區(qū)域附近的設(shè)備(電抗器、避雷器、電容器、電阻箱等)進(jìn)行外觀檢查，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯放電點(diǎn)位。常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)備均無(wú)明顯異常。

圖1 直流濾波器場(chǎng)電氣結(jié)構(gòu)Fig.1 Electrical structure of DC filter field

表1 故障情況Table 1 Fault condition

根據(jù)視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)干式電抗器L1(P2-Z1-L1)為放電設(shè)備，附近區(qū)域布置如圖2所示。對(duì)3月8日視頻監(jiān)控進(jìn)行分析，放電過(guò)程如圖3所示。放電起始于L1器身附近，放電產(chǎn)生的火光照亮直流濾波器電阻箱(P2-Z1-R1)，隨后放電消失。1 s后L1器身下部出現(xiàn)燃燒滴落物，滴落至地上。通過(guò)3月22日視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)相同現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比白天視頻監(jiān)控，放電點(diǎn)位位于L1器身。

圖2 干式電抗器L1(P2-Z1-L1)附近布置Fig.2 Arranged near dry-type reactor L1(P2-Z1-L1)

圖3 干式電抗器L1(P2-Z1-L1)放電過(guò)程Fig.3 Discharge process of dry reactor L1(P2-Z1-L1)

對(duì)電抗器L1進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)外層包封與第一層繞組之間的撐條有放電痕跡，如圖4所示。判斷電抗器匝間絕緣破損，直流濾波器場(chǎng)異響由此引起。

圖4 干式電抗器L1(P2-Z1-L1)內(nèi)部放電痕跡Fig.4 Internal discharge trace of dry-type reactor L1(P2-Z1-L1)

2 故障原因分析

2.1 雷電分析

根據(jù)雷電定位系統(tǒng)，在直流濾波器場(chǎng)4次異?，F(xiàn)象時(shí)刻，直流輸電線路通道均有雷電活動(dòng)，如圖5所示。分布式行波測(cè)距裝置的監(jiān)測(cè)結(jié)果與雷電定位系統(tǒng)一致。4次地閃的雷電流幅值分別為30 kA、17 kA、7.9 kA和9.4 kA，均為負(fù)極性且未導(dǎo)致線路絕緣閃絡(luò)。

圖5 輸電通道雷電情況Fig.5 Lightning condition of transmission channel

2.2 錄波分析

以3月22日異常時(shí)刻的錄波為例進(jìn)行分析。極I與極II直流母線電壓波形如圖6所示。極I電壓由560 kV降至30 kV，極II電壓由-560 kV升至-380 kV。極I電流由830 A提高到1 930 A，極II電流提高到1 670 A。由于雷電極性為負(fù)且極母線電流增加，極I母線電壓變化更劇烈，可判斷雷電擊中極I導(dǎo)線。

圖6 直流母線電壓電流錄波Fig.6 DC bus voltage and current recording

±800 kV宜賓換流站每極直流濾波器場(chǎng)有6支避雷器，如圖1所示。安裝于高壓電容器C1與高壓電抗器L1之間的對(duì)地避雷器F3的尾端接有互感器T5，可供避雷器動(dòng)作情況分析。兩極4支避雷器F3的電流錄波如圖7所示。

圖7 兩極直流濾波器場(chǎng)避雷器F3尾端電流故障錄波Fig.7 Fault recording of tail current of two pole DC filter field arrester F3

極I避雷器電流波形為單一脈沖形式且幅值較高，其中HP 2/39 Z1-F3幅值821 A，HP 12/24 Z2-F3幅值11.77 kA。極II避雷器電流波形為周期脈沖形式且幅值較小，其中HP 2/39 Z1-F3最大值100 A，HP 12/24 Z2-F3幅值317 A。

極I的F3避雷器電流明顯高于極II，從側(cè)面佐證了雷電擊中極I導(dǎo)線的判定。極II避雷器尾端電流的周期為6.8 ms，約等于雷電波在線路上來(lái)回折反射的周期，反推雷擊點(diǎn)在距離宜賓換流站630 km處，與雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)較為一致。

每個(gè)直流濾波器支路的中性母線側(cè)連接有互感器T2，如圖1所示。兩極4個(gè)互感器的電流錄波如圖8所示。濾波器支路均出現(xiàn)周期性脈沖電流。HP 2/39支路的電流波形較陡、幅值更高，其中極I最大值為2.1 kA，極II最大值為960 A。HP 12/24支路的電流波形較緩、幅值較低。由此可見(jiàn)，部分雷電流從濾波器支路、中性母線電容器入地。各極兩濾波器支路的電流波形幅值差距源自于電容、電感參數(shù)的差異。因雷電直擊極I導(dǎo)線，濾波器電流幅值更高。極II導(dǎo)線雷電流為感應(yīng)生成，故濾波器電流幅值較低。

圖8 兩極直流濾波器場(chǎng)濾波器支路電流故障錄波Fig.8 Two pole DC filter field filter branch current fault recording

2.3 故障原因

干式電抗器L1兩端并聯(lián)避雷器F2，在過(guò)電壓下L1承受電壓應(yīng)小于F2殘壓。發(fā)生放電的HP 2/39濾波器電抗器L1(P2-Z1-L1)主要參數(shù)如表2所示，兩端雷電耐受水平為1 000 kV。而F2在標(biāo)稱放電電壓10 kA下的殘壓低于800 kV，可有效保護(hù)L1。對(duì)F2進(jìn)行直流1 mA參考電壓和0.75倍參考電壓下泄漏電流試驗(yàn)，結(jié)果正常。在設(shè)備完好的情況下，L1不會(huì)在雷電侵入過(guò)電壓下絕緣閃絡(luò)。

表2 干式電抗器L1參數(shù)Table 2 L1 Parameters of dry-type reactor

現(xiàn)場(chǎng)檢查并未發(fā)現(xiàn)異物，排除異物短接導(dǎo)致電抗器匝間絕緣損壞的可能性。直流輸電線路長(zhǎng)約1 650 km，通道雷電活動(dòng)較為頻繁。特高壓輸電線路桿塔較高，繞擊導(dǎo)線的概率較大，而任一位置導(dǎo)線遭受雷擊均會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流站雷電侵入過(guò)電壓[16]。濾波器干式電抗器在運(yùn)行中頻繁承受雷電過(guò)電壓。雖然過(guò)電壓幅值低，但在長(zhǎng)期運(yùn)行中的累計(jì)效應(yīng)會(huì)加速絕緣劣化過(guò)程，最終導(dǎo)致?lián)舸┓烹姟?/p>

3 討論與建議

3.1 電抗器電壓應(yīng)力仿真分析

采用EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)雷電入侵時(shí)設(shè)備工況進(jìn)行仿真。由于雷電波持續(xù)時(shí)間為μs級(jí)，直流控制保護(hù)系統(tǒng)尚來(lái)不及響應(yīng)，故用理想直流電壓源模擬系統(tǒng)電源。直流場(chǎng)設(shè)備、直流輸電線路和接地極線路參數(shù)參考±800 kV賓金直流系統(tǒng)參數(shù)。雷電流波形采用標(biāo)準(zhǔn)雷電波。

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，以上節(jié)中3月22日雷電流幅值和雷擊位置進(jìn)行仿真，即7.9 kA的負(fù)極性雷在距離宜賓換流站620 km處擊中極I導(dǎo)線。極I與極II母線的母線電壓和電流情況如圖9所示。短時(shí)間內(nèi)，兩極電壓幅值均降低，其中極I降低更明顯；兩極電流幅值均大幅升高。此特征與故障錄波一致。

圖9 極母線電壓電流仿真波形Fig.9 Simulation waveform of pole bus voltage and current

極I、極II的電抗器L1、L2承受電壓最大值如表3所示。由于電抗器并聯(lián)有避雷器，電抗器承受電壓不超過(guò)避雷器殘壓。雷電流泄放后，濾波器內(nèi)部發(fā)生諧振，但過(guò)電壓幅值較低。

表3 直流濾波器場(chǎng)電抗器電壓最大值Table 3 Maximum voltage of DC filter field reactor

3.2 匝間絕緣劣化分析

交流系統(tǒng)中的干式電抗器故障原因以絕緣劣化和異物短接為主，絕緣劣化的外部因素主要是諧波和開關(guān)投切過(guò)電壓。換流站運(yùn)維強(qiáng)度大、水平高，可基本排除異物導(dǎo)致的匝間故障。直流濾波器干式電抗器的絕緣材料與交流系統(tǒng)用串聯(lián)、并聯(lián)電抗器相同，但運(yùn)行工況有明顯差別。首先，直流濾波器干式電抗器不承受開關(guān)投切過(guò)電壓，但卻承受頻繁的雷電侵入過(guò)電壓。而交流系統(tǒng)干式電抗器因電氣位置或線路長(zhǎng)度的原因承受雷電入侵過(guò)電壓的頻次較少。其次，直流濾波器電抗器承受的諧波與交流系統(tǒng)用串聯(lián)、并聯(lián)電抗器不同，熱老化速率不同。對(duì)此，交流系統(tǒng)干式電抗器的劣化機(jī)理不完全適用于直流濾波器干式電抗器。關(guān)于聚酯薄膜絕緣性能在直流濾波器干式電抗器運(yùn)行工況下的老化研究鮮見(jiàn)報(bào)道，建議下一步開展此項(xiàng)研究。

4 結(jié)論

本研究分析了±800 kV宜賓換流站直流濾波器場(chǎng)異響現(xiàn)象，得出如下結(jié)論：

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和內(nèi)窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)直流濾波器場(chǎng)異響現(xiàn)象由極I濾波器HP 2/39干式電抗器L1匝間絕緣放電引起。

2)干式電抗器L1的4次匝間絕緣放電均由直流輸電通道中雷擊導(dǎo)線誘發(fā)。由于兩端并聯(lián)避雷器，L1兩端承受電壓小于設(shè)計(jì)值，第一次匝間放電應(yīng)由絕緣劣化引起。

3)直流輸電線路長(zhǎng)且途徑多雷區(qū)，頻繁的雷電過(guò)電壓侵入為直流母線設(shè)備的運(yùn)行工況，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備在此工況下絕緣老化的相關(guān)研究。